JP2005032502A - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【課題】燃料電池にガスを供給する動作において故障が生じた時にも燃料電池の運転を継続する。
【解決手段】燃料電池のアノードに供給する水素ガスを循環させる燃料電池システム１０は、アノード排ガス路６３から分岐する排ガス排出路６４に、開閉弁６６を備えている。燃料電池システム１０では、アノード排ガス路６３に設けた水素ポンプ６５のインバータに異常が検出されると、水素ポンプ６５を停止すると共に、開閉弁６６において単位時間当たりの開弁時間を長くする制御を行なう。開閉弁６６を開放すると、アノード排ガス路６３は、より低圧な希釈器２６と連通するため、水素タンク２３から放出された水素は、燃料電池２２およびアノード排ガス路６３を経由して希釈器２６に流れる。これにより、水素ポンプ６５を停止しても、燃料電池２２に水素を供給し続け、発電を継続することができる。
【選択図】 図１
【解決手段】燃料電池のアノードに供給する水素ガスを循環させる燃料電池システム１０は、アノード排ガス路６３から分岐する排ガス排出路６４に、開閉弁６６を備えている。燃料電池システム１０では、アノード排ガス路６３に設けた水素ポンプ６５のインバータに異常が検出されると、水素ポンプ６５を停止すると共に、開閉弁６６において単位時間当たりの開弁時間を長くする制御を行なう。開閉弁６６を開放すると、アノード排ガス路６３は、より低圧な希釈器２６と連通するため、水素タンク２３から放出された水素は、燃料電池２２およびアノード排ガス路６３を経由して希釈器２６に流れる。これにより、水素ポンプ６５を停止しても、燃料電池２２に水素を供給し続け、発電を継続することができる。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池を備える燃料電池システムおよびその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
水素を含有する燃料ガスと酸素を含有する酸化ガスとが供給されて発電を行なう燃料電池において、従来、ガス供給の動作に故障が発生した時の対策が検討されてきた。特許文献１では、燃料ガスである水素ガスを供給するための水素ポンプが停止したときには、燃料電池に水素ガスを供給する流路を閉塞すると共に燃料電池から水素ガスを排出する構成が開示されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平２−２５０２６８号公報
【特許文献２】
特開２００３−６８３３４号公報
【特許文献３】
特開平３−２６０４０４号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、水素ポンプなどで生じる故障には、一時的で軽微な故障、あるいは直ちに復帰可能な故障もある。このような場合には、必ずしも燃料電池への水素ガスの供給を停止することによって発電を停止する必要はない。むしろ、発電の停止につながるガス供給の停止を一律に行なうことで、徒に燃料電池システムの使い勝手が悪くなってしまう場合がある。
【０００５】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池にガスを供給する動作において故障が生じた時に燃料電池の運転を継続することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上記目的を達成するために、本発明は、燃料電池を備える燃料電池システムであって、
電気化学反応で用いるガスを前記燃料電池に供給するガス供給部と、
前記電気化学反応に供された後に前記燃料電池から排出された前記ガスが流れる排ガス流路と、
前記排ガス流路よりも低圧な低圧部と、
前記排ガス流路と前記低圧部とを連通させる連通路と、
前記連通路に設けられ、前記排ガス流路と前記低圧部との連通状態を調節する連通状態調節部と、
前記ガス供給部が前記ガスを供給する際の流量制御に関わる故障を検出する故障検出部と、
前記故障検出部が前記故障を検出したときに、前記連通状態調節部を制御して、前記燃料電池に供給される前記ガスの流量を調節する流量制御部とを備えることを要旨とする。
【０００７】
以上のように構成された本発明の燃料電池システムによれば、電気化学反応で用いるガスをガス供給部が燃料電池に供給する際の流量制御に関わる故障がある場合であっても、排ガス流路と、排ガス流路よりも低圧な低圧部との連通状態を調節して、燃料電池に供給されるガスの流量を調節することによって、燃料電池による発電を継続することが可能となる。
【０００８】
本発明の燃料電池システムにおいて、
前記ガス供給部は、動力を用いて前記燃料電池に前記ガスを送り込むガス導入装置を備え、
前記故障は、前記ガス導入装置における故障であることとしても良い。
【０００９】
このような構成とすれば、動力を用いて燃料電池にガスを送り込むガス導入装置に故障が生じても、排ガス流路と低圧部との連通状態を調節することにより、燃料電池に供給するガス流量を確保して、燃料電池による発電を継続することが可能となる。
【００１０】
本発明の燃料電池システムにおいて、前記流量制御部は、前記燃料電池に対する負荷要求に応じて前記ガスの流量を調節することとしても良い。このような構成とすれば、ガス供給部がガスを供給する際の流量制御に関わる故障がある場合にも、負荷要求に応じた電力を燃料電池から得るためのガスを、燃料電池に供給することが可能となる。
【００１１】
本発明の燃料電池システムにおいて、
前記ガスは、前記燃料電池のアノードに供給される燃料ガスとカソードに供給される酸化ガスのうちの、いずれか一方のガスであり、
前記燃料電池システムは、さらに、
前記故障検出部が前記故障を検出したときに、前記流量制御部が調節する前記一方のガスの流量に応じて、前記一方のガスとは異なる他方のガスの流量を増減する流量バランス制御部を備えることとしても良い。
【００１２】
このように流量制御部によって調節される一方のガスの流量に応じて他方のガスの流量を増減することで、発電のために必要な燃料ガス量および酸化ガス量を確保することができる。また、燃料電池の電解質層に隔てられたガス間の差圧を小さくすることができるため、燃料電池の耐久性を向上させることができる。
【００１３】
また、本発明の燃料電池システムにおいて、
前記ガスは、前記燃料電池に供給されるガスのうち、アノードに供給される燃料ガスであり、
前記流量制御部は、前記故障検出部が前記故障を検出したときには、前記故障を検出しないときに比べて、前記排ガス流路と前記低圧部とが連通する単位時間当たりの連通時間が長くなるように前記連通状態調節部を制御し、
前記燃料電池システムは、さらに、
前記電気化学反応に供された後にカソードから排出された酸化ガスを前記低圧部に導くカソード排ガス導入部と、
前記故障検出部が前記故障を検出したときには、前記故障を検出しないときに比べて、前記カソード排ガス導入部によって前記低圧部に導かれる前記酸化ガスの量を増加させるカソード排ガス量調節部とを備えることとしても良い。
【００１４】
このような構成とすれば、低圧部に導かれる燃料ガス量と酸化ガス量とのバランスを保つことができる。したがって、排ガス流路と低圧部とが連通する単位時間当たりの連通時間が長くなるように連通状態調節部を制御して、低圧部に排出される燃料ガス量を増大させたときに、低圧部から排出されるガス中の水素濃度の上昇を抑えることができる。
【００１５】
あるいは、本発明の燃料電池システムにおいて、
前記ガスは、前記燃料電池に供給されるガスのうち、アノードに供給される燃料ガスであり、
前記排ガス流路は、前記燃料電池のアノードから排出された燃料ガスの少なくとも一部を再び前記アノードに供給可能となるように、前記ガス供給部に接続していることとしても良い。
【００１６】
このような構成の燃料電池システムでは、アノードから排出された燃料ガスの少なくとも一部を再びアノードに供給する動作を継続することで、燃料ガス中の不純物濃度が上昇する可能性がある。このような場合には、上記連通状態調節部を制御して排ガス流路と低圧部とを連通させ、アノードから排出された燃料ガスを低圧部側に排出させることで、燃料ガス中の不純物濃度を低下させることが可能となる。このように、連通状態調節部を用いた制御によって、故障検出時に発電を継続する動作と、燃料ガス中の不純物を除去する動作との両方の動作が可能となる。
【００１７】
本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、燃料電池システムの運転方法などの形態で実現することが可能である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．装置の全体構成：
Ｂ．不純物除去の制御：
Ｃ．故障検出時の制御：
Ｄ．変形例：
【００１９】
Ａ．装置の全体構成：
図１は、本発明の実施例である燃料電池システム１０の構成の概略を表わすブロック図である。燃料電池システム１０は、発電の本体である燃料電池２２と、燃料電池２２に供給する水素を貯蔵する水素タンク２３と、燃料電池２２に圧縮空気を供給するためのエアコンプレッサ２４と、を備えている。燃料電池２２としては種々の種類の燃料電池を用いることが可能であるが、本実施例では、燃料電池２２として固体高分子型燃料電池を用いている。この燃料電池２２は、複数の単セルを積層したスタック構造を有している。
【００２０】
水素タンク２３は、例えば、高圧水素を貯蔵する水素ボンベとすることができる。あるいは、水素吸蔵合金を内部に備え、水素吸蔵合金に吸蔵させることによって水素を貯蔵するタンクとしても良い。水素タンク２３に貯蔵された水素ガスは、水素ガス供給路６０に放出された後、圧力調整弁６２によって所定の圧力に調整されて、燃料電池２２のアノードに供給される。アノードから排出されるアノード排ガスは、アノード排ガス路６３に導かれて再び水素ガス供給路６０に流入する。このように、アノード排ガス中の残余の水素ガスは流路内を循環して再度電気化学反応に供される。
【００２１】
アノード排ガスを循環させるために、アノード排ガス路６３には、水素ポンプ６５が設けられている。水素ポンプ６５は、ポンプ駆動用の交流モータであるポンプモータ６５ａを備えている。
【００２２】
また、アノード排ガス路６３から分岐して、排ガス排出路６４が設けられている。この排ガス排出路６４は、開閉弁６６を備えている。開閉弁６６を開状態とすることで、アノード排ガス路６３を流れるアノード排ガスの一部を、排ガス排出路６４を介して外部に排出可能となる。
【００２３】
ここで、排ガス排出路６４は、排ガス排出路６４よりも断面積が大きい容器である希釈器２６に接続されている。この希釈器２６は、アノード排ガスを外部に排出する際に、アノード排ガス中の水素を、排出に先立って後述するカソード排ガスによって希釈するための構造である。
【００２４】
また、アノード排ガス路６３には、気液分離器２７が設けられている。電気化学反応の進行に伴ってカソードでは水が生じるが、生じた水は、電解質膜を介してアノード側のガス内にも導入される。気液分離器２７は、このようにしてアノード排ガス中に溜まった水蒸気を凝縮させて、アノード排ガス中から除去する。
【００２５】
エアコンプレッサ２４は、加圧した空気を酸化ガスとして酸化ガス供給路６７を介して燃料電池２２のカソードに供給する。エアコンプレッサ２４が空気を圧縮する際には、フィルタを備えたマスフロメータ２８を介して、外部から空気を取り込む。カソードから排出されるカソード排ガスは、カソード排ガス路６８に導かれて外部に排出される。ここで、酸化ガス供給路６７およびカソード排ガス路６８は、加湿モジュール２５を経由している。加湿モジュール２５では、酸化ガス供給路６７の壁面の一部とカソード排ガス路６８の壁面の一部とが接触しており、この接触部には、水蒸気透過性の膜が配設されている。水蒸気透過性の膜によって酸化ガス供給路６７とカソード排ガス路６８とを隔てることで、カソード排ガス側から加圧空気側に水蒸気が供給可能となっている。すなわち、カソード排ガスは、電気化学反応に伴って生じた生成水を水蒸気の状態で含有するが、加湿モジュール２５では、上記水蒸気を含有するカソード排ガスを用いて、カソードに供給する加圧空気の加湿を行なっている。また、カソード排ガス路６８において、燃料電池２２と加湿モジュール２５との間には圧力調整弁３２が設けられており、燃料電池２２と圧力調整弁３２との間には圧力センサ３３が設けられている。上記圧力センサ３３の検出信号に基づいて圧力調整弁３２の開度を調節することで、燃料電池２２から排出されるカソード排ガスの圧力、すなわち燃料電池２２内での酸化ガスの圧力が調節されている。燃料電池２２では、圧力調整弁３２によって酸化ガスの圧力を高く保つことで、電気化学反応の効率を向上させている。また、このカソード排ガス路６８は、カソード排ガスを外部に導くのに先立って、既述した希釈器２６を経由している。そのため、排ガス排出路６４を介して希釈器２６に流入したアノード排ガスは、希釈器２６においてカソード排ガスと混合されることによって希釈されて、外部に排出される。
【００２６】
燃料電池システム１０は、さらに、燃料電池２２の運転温度が所定温度となるように燃料電池２２を冷却するための冷却部４０を備えている。冷却部４０は、冷却水路４１と、冷却ポンプ４２と、ラジエータ２９とを備えている。冷却水路４１は、燃料電池２２の内部とラジエータ２９との間で冷却水が循環するように、冷却水を導く流路である。冷却ポンプ４２は、冷却水路４１内で冷却水を循環させる。ラジエータ２９は、冷却ファンを備えており、燃料電池２２内を経由して昇温した冷却水を冷却する。冷却水路４１には、ラジエータ２９に流入する冷却水温度を検出するための温度センサ４３と、ラジエータ２９から流出する冷却水温度を検出するための温度センサ４４とが設けられている。この温度センサ４３，４４の検出結果に基づいて冷却ファンおよび冷却ポンプ４２の駆動量を調節することで、燃料電池２２の運転温度を制御している。なお、既述したエアコンプレッサ２４や水素ポンプ６５や冷却ポンプ４２、あるいはラジエータファンや流路に設けた弁など、燃料電池２２の発電に伴って動作する装置を、以後、燃料電池補機と呼ぶ。
【００２７】
また、燃料電池２２には、燃料電池２２から電力を供給される電力消費装置である負荷装置３０が接続されている。なお、図１では、負荷装置３０は、燃料電池システム１０から独立した負荷として表わしているが、この負荷装置３０には、既述した燃料電池補機が含まれる。すなわち、エアコンプレッサ２４や水素ポンプ６５等の燃料電池補機は、燃料電池２２から電力を供給される。
【００２８】
さらに、燃料電池システム１０は、燃料電池システム１０の各部の動きを制御する制御部７０を備えている。制御部は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、詳しくは、予め設定された制御プログラムに従って所定の演算などを実行するＣＰＵと、ＣＰＵで各種演算処理を実行するのに必要な制御プログラムや制御データ等が予め格納されたＲＯＭと、同じくＣＰＵで各種演算処理をするのに必要な各種データが一時的に読み書きされるＲＡＭと、各種の信号を入出力する入出力ポート等を備える。この制御部７０は、既述した温度センサ４３，４４等の各種センサの検出信号や、負荷装置３０における負荷要求に関する情報などを取得する。また、燃料電池システム１０が備えるポンプや流路に設けられた弁やラジエータファンなど、燃料電池２２の発電に関わる各部に駆動信号を出力する。なお、図１では、燃料電池システム１０の構成要素と制御部７０との間で信号のやり取りがなされる様子を表わすために、制御部７０を燃料電池システム１０の外部に記載している。
【００２９】
Ｂ．不純物除去の制御：
本実施例の燃料電池システム１０は、アノード排ガス路６３を水素ガス供給路６０に接続して、アノード排ガスを再び電気化学反応に供する構成となっている。このように、燃料電池２２とアノード排ガス路６３との間で水素ガスを循環させると、電気化学反応の進行に伴って、水素ガス中にもともと微量に含まれていた窒素等の不純物が濃縮されることによって、水素ガス中の不純物濃度が上昇する。また、窒素を含有する空気が供給されるカソード側からアノード側に窒素がリークしてくることによっても、水素ガス中の窒素濃度が上昇する。本実施例の燃料電池システム１０では、アノード排ガス路６４と、このアノード排ガス路６４よりも低圧な希釈器２６とを連通させて、両者の圧力差を利用することによって、アノード排ガスの一部をアノード排ガス路６４から排出している。具体的には、所定の時間間隔で開閉弁６６を開閉することによって、アノード排ガスの一部を外部に排出して、アノードに供給するガス中の窒素等の不純物濃度の上昇を抑えている。
【００３０】
アノードに供給するガス中の不純物濃度は、燃料電池２２における発電量が増えるほど高くなる。そのため、開閉弁６６を開放する動作は、例えば所定の時間間隔で行なうこととしても良いし、燃料電池２２による発電量の積算値が所定値になる毎に行なうこととしても良い。本実施例では、燃料電池２２の温度と燃料電池２２の出力電流とに基づいて、開閉弁６６を開弁する時間および閉弁する時間を定めるマップ（以下、通常排気マップと呼ぶ）を、制御部７０内に記憶している。開閉弁６６の開閉動作を制御する際には、燃料電池２２の温度として、温度センサ４３が検出する冷却水温を取得している。また、燃料電池システム１０は、燃料電池２２と負荷装置３０とを接続する回路において図示しない電流計を備えており、この電流計によって燃料電池２２の出力電流を検出している。制御部７０は、燃料電池２２の温度と出力電流とに基づいて上記通常排気マップを参照することで開弁・閉弁時間を決定し、決定した時間毎に開弁と閉弁の動作を繰り返すように、開閉弁６６の開閉動作を制御している。
【００３１】
なお、エアコンプレッサ２４によってカソードに供給される空気量は、負荷要求に応じて制御部７０がエアコンプレッサ２４を駆動することによって、制御されている。これにより、負荷要求が大きいほど供給される空気量は多くなり、所望量の電力を発生するための電気化学反応が進行するのに充分量の酸素がカソードに供給される。また、既述したように、希釈器２６には、燃料電池２２の出力電流等に基づくタイミングでアノード排ガスが導入されるが、上記のように負荷要求に応じて空気の流量調節が行なわれるときには、希釈器２６では充分に水素の希釈が行なわれる。
【００３２】
Ｃ．故障検出時の制御：
図２は、本発明の燃料電池システム１０の制御部７０において実行されるガス流量制御変更処理ルーチンを表わすフローチャートである。本ルーチンは、燃料電池システム１０の稼働中に繰り返し実行される。
【００３３】
本ルーチンが実行されると、制御部７０は、水素ポンプ６５のインバータに異常があるか否かを判断する（ステップＳ１００）。既述したように、水素ポンプ６５には、直流電源である燃料電池２２から電力が供給されるため、燃料電池２２からポンプモータ６５ａに電力を供給する回路には、図示しないインバータが設けられている。また、このインバータを設けた回路には、インバータの出力電流あるいは電圧を検出するための電流計あるいは電圧計が設けられている。ステップＳ１００では、上記インバータにおける電圧あるいは出力電流を検出して、検出した値が、予め定めた所定の基準値よりも高い値であるときには異常と判断する。
【００３４】
制御部７０は、ステップＳ１００においてインバータが異常であると判断すると、水素ポンプ６５を停止する（ステップＳ１１０）。また、排ガス排出路６４に設けた開閉弁６６の開閉動作を制御する際に参照するマップを、通常排気マップから、ポンプ停止時排気マップに切り替える（ステップＳ１２０）。
【００３５】
ここで、ポンプ停止時排気マップとは、水素ポンプ６５を停止させたときに通常排気マップに代えて参照するために、予め制御部７０内に記憶しておいたものである。ポンプ停止時排気マップでは、このポンプ停止時排気マップに従って開閉弁６６を制御すると、通常排気マップを用いる場合に比べて単位時間あたりの開弁時間が長くなるように、開弁時間および閉弁時間が設定されている。本実施例では、このポンプ停止時排気マップは、制御部７０が取得した負荷要求に関する情報に基づいて開弁時間および閉弁時間を決定するように設定されており、負荷要求が大きいほど、決定される単位時間当たりの開弁時間は長く設定される。
【００３６】
燃料電池システム１０では、ステップＳ１１０で水素ポンプ６５を停止したときにも、水素タンク２３からは水素が供給され続け、水素タンク２３から燃料電池２２のアノードに供給される水素圧は、圧力調整弁６２によって所定圧に調節され続けている。ここで、排ガス排出路６４が連通する希釈器２６は大気開放されているため、水素ガス供給路６０や燃料電池２２内の水素ガスの流路あるいはアノード排ガス路６３に比べて、希釈器２６の圧力は低くなっている。そのため、開閉弁６６を開状態とすると、水素タンク２３から放出された水素ガスは、燃料電池２２、アノード排ガス路６３および排ガス排出路６４を経由して希釈器２６に流入し、その後外部に排出される。このように、開閉弁６６を開状態とすることで、水素ポンプ６５を停止しても燃料電池２２のアノードに水素を供給し続けることが可能となる。ここで、開閉弁６６における単位時間当たりの開弁時間は負荷要求に基づいて設定されるため、負荷要求が大きいほど開弁時間が長くなって、アノードに供給される水素量は増える。なお、ポンプ停止時排気マップでは、正常時に比べて単位時間当たりの開弁時間が長くなるように開弁時間および閉弁時間が設定されているが、１回当たりの開弁時間は、開閉の動作に伴って水素ガスが脈動するように充分に短く設定されている。インバータ異常が発生しておらず、通常排気マップを参照して開閉弁６６を開閉する時にも、燃料電池２２に供給される水素ガスは脈動する。しかしながら、ポンプ停止時排気マップを参照して、単位時間当たりの開弁時間をより長くして１回当たりの開弁時間を短く抑えることで、水素ガスはより強く脈動するようになる。
【００３７】
ステップＳ１２０において、参照するマップをポンプ停止時排気マップに切り替えると、これと共に制御部７０は、酸化ガス流量目標値の補正を行なう（ステップＳ１３０）。既述したように制御部７０は、負荷要求に応じた量の酸化ガスが燃料電池２２に供給されるようにエアコンプレッサ２４を駆動制御しているが、ステップＳ１３０では、この駆動制御の際に設定する酸化ガス流量目標値をさらに大きくする補正を行なう。酸化ガス流量目標値をさらに大きくする補正量は、ポンプ停止時排気マップに切り替えることで希釈器２６に排出される水素量が増大したときに、この水素をカソード排ガスで充分に希釈可能となるように定められている。酸化ガス流量目標値を補正すると、制御部は、補正した目標値の酸化ガスが供給されるように、エアコンプレッサ２４に駆動信号を出力する。
【００３８】
酸化ガス流量の目標値を補正してエアコンプレッサ２４を駆動すると、次に制御部７０は、マスフロメータ２８の検出信号を取得して、燃料電池２２に供給される酸化ガス流量を検出する（ステップＳ１４０）。その後制御部７０は、ステップＳ１３０で設定した酸化ガス流量目標値と、ステップＳ１４０で検出した実際の酸化ガス流量とを比較して、酸化ガス流量に過不足があるか否かを判断する（ステップＳ１５０）。過不足があると判断したときには、制御部７０は、エアコンプレッサ２４の回転数を補正する駆動信号を出力して（ステップＳ１６０）、本ルーチンを終了する。すなわち、実際の酸化ガス流量が過剰であるときには、エアコンプレッサ２４の回転数を減少させる制御を行なう。また、実際の酸化ガス流量が不足しているときには、エアコンプレッサ２４の回転数を増加させる制御を行なう。また、ステップＳ１５０において、酸化ガス流量に過不足がないと判断されたときには、本ルーチンを終了する。なお、インバータ異常を検出して上記処理を行ない本ルーチンを終了した後は、制御部７０は、ステップＳ１２０からステップＳ１６０と同様の動作を続行して、燃料電池２２に供給する水素ガス流量および酸化ガス流量の制御を行なう。
【００３９】
ステップＳ１００において、インバータに異常がないと判断されたときには、制御部７０は本ルーチンを終了する。このときには、制御部７０は、通常排気マップを参照する通常の制御を続行し、再び図２のガス流量制御変更処理ルーチンを実行する。
【００４０】
以上のように構成された本実施例の燃料電池システム１０によれば、水素ポンプ６５のインバータにおいて過電流や過電圧が生じることで故障が検出されて、水素ポンプ６５を停止する場合にも、燃料電池２２による発電を継続することができる。
【００４１】
ここで、水素ポンプ６５のインバータにおいて過電流や過電圧が検出される故障としては、例えば、燃料電池２２と電気的に接続されたシステム全体における電力配分のバランスに起因するものが考えられる。あるいは、水素ガスの流路の一部において水素ガスの流れが妨げられ、ポンプモータ６５ａに過負荷がかかることによっても、上記故障が生じ得る。水素ガスの流路の一部で水素ガスの流れが妨げられる現象は、例えば、燃料電池２２内の水素ガス流路やアノード排ガス路６３において水が凝縮することによって起こる。あるいは、水素ガスの流路に設けた弁（例えば図１に示したアノード排ガス路６３に設けた逆止弁５６）が、低温時に凍結することによっても起こる。このような故障は、インバータで過電流や過電圧が検出されても、水素ポンプ６５を停止した後に再び起動すると、水素ポンプ６５が正常に動作する可能性があり、一時的で軽微な故障といえる。そのため、図２に示す処理によって、故障を検出した後に水素ポンプ６５を停止し、開閉弁６６の開閉制御に用いるマップを切り替える制御を行なっても、水素ポンプ６５を再起動して正常に動作すれば、通常制御に復帰することが可能となる。このように、通常排気マップを参照する通常制御に復帰したときには、再び図２に示すガス流量制御処理ルーチンを繰り返し実行すればよい。本発明の燃料電池システム１０によれば、動力を用いて燃料電池にガスを送り込むガス導入装置である水素ポンプに故障が発生したときにも、燃料電池２２の発電を継続しつつ故障の解消を図ることが可能となり、燃料電池システム１０の操作性が向上する。
【００４２】
また、本実施例の燃料電池システム１０では、故障が検出されたときには、開閉弁６６およびエアコンプレッサ２４を制御することによって、負荷要求が大きいほどより多くの水素ガスおよび空気が燃料電池２２に供給される。したがって、故障が検出されても、負荷要求が増大したときには、負荷要求の増大に従ってより多くの電力を得ることができる。特に、開閉弁６６の開閉状態の制御によって、水素ポンプ６５が稼働する正常時と同程度の水素をアノードに供給するならば、負荷要求に見合った電力を燃料電池２２によって発電することが可能となる。さらに、負荷要求に応じて燃料電池２２に供給する燃料ガス量と酸化ガス量との両方を制御することで、燃料電池２２内において、電解質膜に隔てられたガス間の差圧が増大するのを抑えることができる。これにより、燃料電池２２の耐久性の低下を抑えることができる。
【００４３】
また、故障が検出されたときには、酸化ガスの流量を正常時に比べて増やす制御を行なうため、外部に排出される水素量が増えてもこれを充分に希釈させることが可能となる。すなわち、故障検出時には、負荷要求の増大に伴って外部に排出するアノード排ガス量を増加させるが、同様に酸化ガス流量も増加させるため、故障検出時の制御を行なう間、常に、大気中に排出される水素濃度を低く抑えることができる。なお、本実施例の燃料電池システム１０では、開閉弁６６を介して排出するアノード排ガス中の水素は、カソード排ガスによって希釈させて大気に放出しているが、放出に先立って、水素を燃焼させることとしても良い。すなわち、排出するアノード排ガスを、希釈器２６に代えて、燃焼触媒を有する触媒層に通過させることとしても良い。この場合にも、排出するアノード排ガス量を増加させるのに応じて、カソード排ガス量すなわち酸素量を増やす制御を行なうことで、増加した排出水素を充分に処理可能となる。
【００４４】
さらに、本実施例の燃料電池システム１０では、アノード排ガス路６３よりも低圧な低圧部として、水素ガス中の不純物濃度を下げるためにアノード排ガス路６３から排出したアノード排ガスを希釈するための希釈器２６を用いている。したがって、開閉弁６６の開閉制御によって、水素ガス中の不純物濃度の低減と、故障検出時に発電を継続する動作との両方を行なうことができ、システムの複雑化を抑えることができる。ただし、故障検出時に発電を継続するために用いる低圧部は、水素ガスの不純物濃度の低減のために用いる希釈部とは別体で設けることとしても良い。
【００４５】
なお、本実施例では、故障が検出されたときには開閉弁６６の単位時間当たりの開弁時間が長くなるように制御しているが、１回当たりの開弁時間を短くして水素ガスを脈動させているため、例えば故障の原因が流路の水詰まりである場合には、故障の解消を促進するという効果をさらに得ることができる。
【００４６】
Ｄ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００４７】
Ｄ１．変形例１：
既述した実施例では、ガス流量制御に関わる故障として、水素ポンプ６５のインバータにおける過電流あるいは過電圧を検出し、故障発生時には水素ポンプを停止させているが、異なる構成としても良い。例えば、故障として水素ポンプ６５の出力不足を検出して、故障が検出されたときには、水素ポンプ６５を稼働させたまま、開閉弁６６の単位時間当たりの開弁時間を長くする制御を行なうこととしても良い。この場合には、低圧な希釈器２６とアノード排ガス路６３とが連通する時間を長くすることで、水素ポンプ６５の出力を補って、燃料電池２２に供給する水素ガス流量を確保することができる。このように、水素ポンプ６５を停止させるべき故障に限らず、ガス流量制御に関わる故障を検出したときには、アノード排ガス路６３と希釈器２６との連通状態を調節することによって、燃料電池２２による発電を継続することが可能となる。
【００４８】
Ｄ２．変形例２：
実施例の燃料電池システム１０では、アノード排ガスを循環させて再び電気化学反応に供しているが、異なる構成としても良い。例えば、燃料電池２２から排出されたアノード排ガスは、循環させることなく燃料電池システム外部に排出することとしても良い。このような場合にも、アノード排ガス路と、アノード排ガス路よりも低圧な所定の低圧部との間に連通路を設け、連通路における連通状態（単位時間当たりの連通時間）を調節すればよい。これにより、水素ガス流量の調節に関わる故障が発生した時に、実施例と同様の制御を行なうことが可能となる。
【００４９】
Ｄ３．変形例３：
また、既述した実施例および変形例では、燃料電池に供給する水素ガスの流量制御における故障を検出しているが、燃料電池に供給する酸化ガスの流量制御における故障を検出する場合に、本発明を適用することも可能である。例えば、故障として、動力を用いて燃料電池に酸化ガスを送り込むガス導入装置であるエアコンプレッサ２４の出力不足を検出し、故障検出時には圧力調整弁３２の開度を正常時よりも大きくする制御が可能である。カソード排ガス路６８では圧力調整弁３２の下流側は大気開放されているため、圧力調整弁３２よりも下流側は上流側に比べて低圧となっている。そのため、圧力調整弁３２の開度がより大きくなるように調節することで燃料電池２２に酸化ガスが流れ易くなり、燃料電池２２に供給される酸化ガス流量を確保することができる。このように、燃料電池から排出されたガスが流れる排ガス流路と所定の低圧部との連通状態の制御は、排ガス流路と低圧部とを連通させる連通路に設けた弁の開閉制御だけでなく、弁の開度の制御を伴うこととしても良い。いずれの場合にも、ガス流量の制御に関わる故障が検出されたときに、ガス排出路と所定の低圧部との連通状態を制御してガス供給を促進することで、故障検出時にも燃料電池の発電を継続することが可能となる。なお、上記のように故障検出時に酸化ガス流量を制御する場合に、水素ガス供給路６０に設けた圧力調整弁６２を可変調節弁とするならば、酸化ガスの圧力に併せて水素ガスの圧力を調節し、電解質膜に隔てられたガス間の差圧を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例である燃料電池システム１０の構成の概略を表わすブロック図である。
【図２】ガス流量制御変更処理ルーチンを表わすフローチャートである。
【符号の説明】
１０…燃料電池システム
２２…燃料電池
２３…水素タンク
２４…エアコンプレッサ
２５…加湿モジュール
２６…希釈器
２７…気液分離器
２８…マスフロメータ
２９…ラジエータ
３０…負荷装置
３２…圧力調整弁
３３…圧力センサ
４０…冷却部
４１…冷却水路
４２…冷却ポンプ
４３，４４…温度センサ
５６…逆止弁
６０…水素ガス供給路
６２…圧力調整弁
６３…アノード排ガス路
６４…排ガス排出路
６５…水素ポンプ
６５ａ…ポンプモータ
６６…開閉弁
６７…酸化ガス供給路
６８…カソード排ガス路
７０…制御部
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池を備える燃料電池システムおよびその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
水素を含有する燃料ガスと酸素を含有する酸化ガスとが供給されて発電を行なう燃料電池において、従来、ガス供給の動作に故障が発生した時の対策が検討されてきた。特許文献１では、燃料ガスである水素ガスを供給するための水素ポンプが停止したときには、燃料電池に水素ガスを供給する流路を閉塞すると共に燃料電池から水素ガスを排出する構成が開示されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平２−２５０２６８号公報
【特許文献２】
特開２００３−６８３３４号公報
【特許文献３】
特開平３−２６０４０４号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、水素ポンプなどで生じる故障には、一時的で軽微な故障、あるいは直ちに復帰可能な故障もある。このような場合には、必ずしも燃料電池への水素ガスの供給を停止することによって発電を停止する必要はない。むしろ、発電の停止につながるガス供給の停止を一律に行なうことで、徒に燃料電池システムの使い勝手が悪くなってしまう場合がある。
【０００５】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池にガスを供給する動作において故障が生じた時に燃料電池の運転を継続することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上記目的を達成するために、本発明は、燃料電池を備える燃料電池システムであって、
電気化学反応で用いるガスを前記燃料電池に供給するガス供給部と、
前記電気化学反応に供された後に前記燃料電池から排出された前記ガスが流れる排ガス流路と、
前記排ガス流路よりも低圧な低圧部と、
前記排ガス流路と前記低圧部とを連通させる連通路と、
前記連通路に設けられ、前記排ガス流路と前記低圧部との連通状態を調節する連通状態調節部と、
前記ガス供給部が前記ガスを供給する際の流量制御に関わる故障を検出する故障検出部と、
前記故障検出部が前記故障を検出したときに、前記連通状態調節部を制御して、前記燃料電池に供給される前記ガスの流量を調節する流量制御部とを備えることを要旨とする。
【０００７】
以上のように構成された本発明の燃料電池システムによれば、電気化学反応で用いるガスをガス供給部が燃料電池に供給する際の流量制御に関わる故障がある場合であっても、排ガス流路と、排ガス流路よりも低圧な低圧部との連通状態を調節して、燃料電池に供給されるガスの流量を調節することによって、燃料電池による発電を継続することが可能となる。
【０００８】
本発明の燃料電池システムにおいて、
前記ガス供給部は、動力を用いて前記燃料電池に前記ガスを送り込むガス導入装置を備え、
前記故障は、前記ガス導入装置における故障であることとしても良い。
【０００９】
このような構成とすれば、動力を用いて燃料電池にガスを送り込むガス導入装置に故障が生じても、排ガス流路と低圧部との連通状態を調節することにより、燃料電池に供給するガス流量を確保して、燃料電池による発電を継続することが可能となる。
【００１０】
本発明の燃料電池システムにおいて、前記流量制御部は、前記燃料電池に対する負荷要求に応じて前記ガスの流量を調節することとしても良い。このような構成とすれば、ガス供給部がガスを供給する際の流量制御に関わる故障がある場合にも、負荷要求に応じた電力を燃料電池から得るためのガスを、燃料電池に供給することが可能となる。
【００１１】
本発明の燃料電池システムにおいて、
前記ガスは、前記燃料電池のアノードに供給される燃料ガスとカソードに供給される酸化ガスのうちの、いずれか一方のガスであり、
前記燃料電池システムは、さらに、
前記故障検出部が前記故障を検出したときに、前記流量制御部が調節する前記一方のガスの流量に応じて、前記一方のガスとは異なる他方のガスの流量を増減する流量バランス制御部を備えることとしても良い。
【００１２】
このように流量制御部によって調節される一方のガスの流量に応じて他方のガスの流量を増減することで、発電のために必要な燃料ガス量および酸化ガス量を確保することができる。また、燃料電池の電解質層に隔てられたガス間の差圧を小さくすることができるため、燃料電池の耐久性を向上させることができる。
【００１３】
また、本発明の燃料電池システムにおいて、
前記ガスは、前記燃料電池に供給されるガスのうち、アノードに供給される燃料ガスであり、
前記流量制御部は、前記故障検出部が前記故障を検出したときには、前記故障を検出しないときに比べて、前記排ガス流路と前記低圧部とが連通する単位時間当たりの連通時間が長くなるように前記連通状態調節部を制御し、
前記燃料電池システムは、さらに、
前記電気化学反応に供された後にカソードから排出された酸化ガスを前記低圧部に導くカソード排ガス導入部と、
前記故障検出部が前記故障を検出したときには、前記故障を検出しないときに比べて、前記カソード排ガス導入部によって前記低圧部に導かれる前記酸化ガスの量を増加させるカソード排ガス量調節部とを備えることとしても良い。
【００１４】
このような構成とすれば、低圧部に導かれる燃料ガス量と酸化ガス量とのバランスを保つことができる。したがって、排ガス流路と低圧部とが連通する単位時間当たりの連通時間が長くなるように連通状態調節部を制御して、低圧部に排出される燃料ガス量を増大させたときに、低圧部から排出されるガス中の水素濃度の上昇を抑えることができる。
【００１５】
あるいは、本発明の燃料電池システムにおいて、
前記ガスは、前記燃料電池に供給されるガスのうち、アノードに供給される燃料ガスであり、
前記排ガス流路は、前記燃料電池のアノードから排出された燃料ガスの少なくとも一部を再び前記アノードに供給可能となるように、前記ガス供給部に接続していることとしても良い。
【００１６】
このような構成の燃料電池システムでは、アノードから排出された燃料ガスの少なくとも一部を再びアノードに供給する動作を継続することで、燃料ガス中の不純物濃度が上昇する可能性がある。このような場合には、上記連通状態調節部を制御して排ガス流路と低圧部とを連通させ、アノードから排出された燃料ガスを低圧部側に排出させることで、燃料ガス中の不純物濃度を低下させることが可能となる。このように、連通状態調節部を用いた制御によって、故障検出時に発電を継続する動作と、燃料ガス中の不純物を除去する動作との両方の動作が可能となる。
【００１７】
本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、燃料電池システムの運転方法などの形態で実現することが可能である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．装置の全体構成：
Ｂ．不純物除去の制御：
Ｃ．故障検出時の制御：
Ｄ．変形例：
【００１９】
Ａ．装置の全体構成：
図１は、本発明の実施例である燃料電池システム１０の構成の概略を表わすブロック図である。燃料電池システム１０は、発電の本体である燃料電池２２と、燃料電池２２に供給する水素を貯蔵する水素タンク２３と、燃料電池２２に圧縮空気を供給するためのエアコンプレッサ２４と、を備えている。燃料電池２２としては種々の種類の燃料電池を用いることが可能であるが、本実施例では、燃料電池２２として固体高分子型燃料電池を用いている。この燃料電池２２は、複数の単セルを積層したスタック構造を有している。
【００２０】
水素タンク２３は、例えば、高圧水素を貯蔵する水素ボンベとすることができる。あるいは、水素吸蔵合金を内部に備え、水素吸蔵合金に吸蔵させることによって水素を貯蔵するタンクとしても良い。水素タンク２３に貯蔵された水素ガスは、水素ガス供給路６０に放出された後、圧力調整弁６２によって所定の圧力に調整されて、燃料電池２２のアノードに供給される。アノードから排出されるアノード排ガスは、アノード排ガス路６３に導かれて再び水素ガス供給路６０に流入する。このように、アノード排ガス中の残余の水素ガスは流路内を循環して再度電気化学反応に供される。
【００２１】
アノード排ガスを循環させるために、アノード排ガス路６３には、水素ポンプ６５が設けられている。水素ポンプ６５は、ポンプ駆動用の交流モータであるポンプモータ６５ａを備えている。
【００２２】
また、アノード排ガス路６３から分岐して、排ガス排出路６４が設けられている。この排ガス排出路６４は、開閉弁６６を備えている。開閉弁６６を開状態とすることで、アノード排ガス路６３を流れるアノード排ガスの一部を、排ガス排出路６４を介して外部に排出可能となる。
【００２３】
ここで、排ガス排出路６４は、排ガス排出路６４よりも断面積が大きい容器である希釈器２６に接続されている。この希釈器２６は、アノード排ガスを外部に排出する際に、アノード排ガス中の水素を、排出に先立って後述するカソード排ガスによって希釈するための構造である。
【００２４】
また、アノード排ガス路６３には、気液分離器２７が設けられている。電気化学反応の進行に伴ってカソードでは水が生じるが、生じた水は、電解質膜を介してアノード側のガス内にも導入される。気液分離器２７は、このようにしてアノード排ガス中に溜まった水蒸気を凝縮させて、アノード排ガス中から除去する。
【００２５】
エアコンプレッサ２４は、加圧した空気を酸化ガスとして酸化ガス供給路６７を介して燃料電池２２のカソードに供給する。エアコンプレッサ２４が空気を圧縮する際には、フィルタを備えたマスフロメータ２８を介して、外部から空気を取り込む。カソードから排出されるカソード排ガスは、カソード排ガス路６８に導かれて外部に排出される。ここで、酸化ガス供給路６７およびカソード排ガス路６８は、加湿モジュール２５を経由している。加湿モジュール２５では、酸化ガス供給路６７の壁面の一部とカソード排ガス路６８の壁面の一部とが接触しており、この接触部には、水蒸気透過性の膜が配設されている。水蒸気透過性の膜によって酸化ガス供給路６７とカソード排ガス路６８とを隔てることで、カソード排ガス側から加圧空気側に水蒸気が供給可能となっている。すなわち、カソード排ガスは、電気化学反応に伴って生じた生成水を水蒸気の状態で含有するが、加湿モジュール２５では、上記水蒸気を含有するカソード排ガスを用いて、カソードに供給する加圧空気の加湿を行なっている。また、カソード排ガス路６８において、燃料電池２２と加湿モジュール２５との間には圧力調整弁３２が設けられており、燃料電池２２と圧力調整弁３２との間には圧力センサ３３が設けられている。上記圧力センサ３３の検出信号に基づいて圧力調整弁３２の開度を調節することで、燃料電池２２から排出されるカソード排ガスの圧力、すなわち燃料電池２２内での酸化ガスの圧力が調節されている。燃料電池２２では、圧力調整弁３２によって酸化ガスの圧力を高く保つことで、電気化学反応の効率を向上させている。また、このカソード排ガス路６８は、カソード排ガスを外部に導くのに先立って、既述した希釈器２６を経由している。そのため、排ガス排出路６４を介して希釈器２６に流入したアノード排ガスは、希釈器２６においてカソード排ガスと混合されることによって希釈されて、外部に排出される。
【００２６】
燃料電池システム１０は、さらに、燃料電池２２の運転温度が所定温度となるように燃料電池２２を冷却するための冷却部４０を備えている。冷却部４０は、冷却水路４１と、冷却ポンプ４２と、ラジエータ２９とを備えている。冷却水路４１は、燃料電池２２の内部とラジエータ２９との間で冷却水が循環するように、冷却水を導く流路である。冷却ポンプ４２は、冷却水路４１内で冷却水を循環させる。ラジエータ２９は、冷却ファンを備えており、燃料電池２２内を経由して昇温した冷却水を冷却する。冷却水路４１には、ラジエータ２９に流入する冷却水温度を検出するための温度センサ４３と、ラジエータ２９から流出する冷却水温度を検出するための温度センサ４４とが設けられている。この温度センサ４３，４４の検出結果に基づいて冷却ファンおよび冷却ポンプ４２の駆動量を調節することで、燃料電池２２の運転温度を制御している。なお、既述したエアコンプレッサ２４や水素ポンプ６５や冷却ポンプ４２、あるいはラジエータファンや流路に設けた弁など、燃料電池２２の発電に伴って動作する装置を、以後、燃料電池補機と呼ぶ。
【００２７】
また、燃料電池２２には、燃料電池２２から電力を供給される電力消費装置である負荷装置３０が接続されている。なお、図１では、負荷装置３０は、燃料電池システム１０から独立した負荷として表わしているが、この負荷装置３０には、既述した燃料電池補機が含まれる。すなわち、エアコンプレッサ２４や水素ポンプ６５等の燃料電池補機は、燃料電池２２から電力を供給される。
【００２８】
さらに、燃料電池システム１０は、燃料電池システム１０の各部の動きを制御する制御部７０を備えている。制御部は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、詳しくは、予め設定された制御プログラムに従って所定の演算などを実行するＣＰＵと、ＣＰＵで各種演算処理を実行するのに必要な制御プログラムや制御データ等が予め格納されたＲＯＭと、同じくＣＰＵで各種演算処理をするのに必要な各種データが一時的に読み書きされるＲＡＭと、各種の信号を入出力する入出力ポート等を備える。この制御部７０は、既述した温度センサ４３，４４等の各種センサの検出信号や、負荷装置３０における負荷要求に関する情報などを取得する。また、燃料電池システム１０が備えるポンプや流路に設けられた弁やラジエータファンなど、燃料電池２２の発電に関わる各部に駆動信号を出力する。なお、図１では、燃料電池システム１０の構成要素と制御部７０との間で信号のやり取りがなされる様子を表わすために、制御部７０を燃料電池システム１０の外部に記載している。
【００２９】
Ｂ．不純物除去の制御：
本実施例の燃料電池システム１０は、アノード排ガス路６３を水素ガス供給路６０に接続して、アノード排ガスを再び電気化学反応に供する構成となっている。このように、燃料電池２２とアノード排ガス路６３との間で水素ガスを循環させると、電気化学反応の進行に伴って、水素ガス中にもともと微量に含まれていた窒素等の不純物が濃縮されることによって、水素ガス中の不純物濃度が上昇する。また、窒素を含有する空気が供給されるカソード側からアノード側に窒素がリークしてくることによっても、水素ガス中の窒素濃度が上昇する。本実施例の燃料電池システム１０では、アノード排ガス路６４と、このアノード排ガス路６４よりも低圧な希釈器２６とを連通させて、両者の圧力差を利用することによって、アノード排ガスの一部をアノード排ガス路６４から排出している。具体的には、所定の時間間隔で開閉弁６６を開閉することによって、アノード排ガスの一部を外部に排出して、アノードに供給するガス中の窒素等の不純物濃度の上昇を抑えている。
【００３０】
アノードに供給するガス中の不純物濃度は、燃料電池２２における発電量が増えるほど高くなる。そのため、開閉弁６６を開放する動作は、例えば所定の時間間隔で行なうこととしても良いし、燃料電池２２による発電量の積算値が所定値になる毎に行なうこととしても良い。本実施例では、燃料電池２２の温度と燃料電池２２の出力電流とに基づいて、開閉弁６６を開弁する時間および閉弁する時間を定めるマップ（以下、通常排気マップと呼ぶ）を、制御部７０内に記憶している。開閉弁６６の開閉動作を制御する際には、燃料電池２２の温度として、温度センサ４３が検出する冷却水温を取得している。また、燃料電池システム１０は、燃料電池２２と負荷装置３０とを接続する回路において図示しない電流計を備えており、この電流計によって燃料電池２２の出力電流を検出している。制御部７０は、燃料電池２２の温度と出力電流とに基づいて上記通常排気マップを参照することで開弁・閉弁時間を決定し、決定した時間毎に開弁と閉弁の動作を繰り返すように、開閉弁６６の開閉動作を制御している。
【００３１】
なお、エアコンプレッサ２４によってカソードに供給される空気量は、負荷要求に応じて制御部７０がエアコンプレッサ２４を駆動することによって、制御されている。これにより、負荷要求が大きいほど供給される空気量は多くなり、所望量の電力を発生するための電気化学反応が進行するのに充分量の酸素がカソードに供給される。また、既述したように、希釈器２６には、燃料電池２２の出力電流等に基づくタイミングでアノード排ガスが導入されるが、上記のように負荷要求に応じて空気の流量調節が行なわれるときには、希釈器２６では充分に水素の希釈が行なわれる。
【００３２】
Ｃ．故障検出時の制御：
図２は、本発明の燃料電池システム１０の制御部７０において実行されるガス流量制御変更処理ルーチンを表わすフローチャートである。本ルーチンは、燃料電池システム１０の稼働中に繰り返し実行される。
【００３３】
本ルーチンが実行されると、制御部７０は、水素ポンプ６５のインバータに異常があるか否かを判断する（ステップＳ１００）。既述したように、水素ポンプ６５には、直流電源である燃料電池２２から電力が供給されるため、燃料電池２２からポンプモータ６５ａに電力を供給する回路には、図示しないインバータが設けられている。また、このインバータを設けた回路には、インバータの出力電流あるいは電圧を検出するための電流計あるいは電圧計が設けられている。ステップＳ１００では、上記インバータにおける電圧あるいは出力電流を検出して、検出した値が、予め定めた所定の基準値よりも高い値であるときには異常と判断する。
【００３４】
制御部７０は、ステップＳ１００においてインバータが異常であると判断すると、水素ポンプ６５を停止する（ステップＳ１１０）。また、排ガス排出路６４に設けた開閉弁６６の開閉動作を制御する際に参照するマップを、通常排気マップから、ポンプ停止時排気マップに切り替える（ステップＳ１２０）。
【００３５】
ここで、ポンプ停止時排気マップとは、水素ポンプ６５を停止させたときに通常排気マップに代えて参照するために、予め制御部７０内に記憶しておいたものである。ポンプ停止時排気マップでは、このポンプ停止時排気マップに従って開閉弁６６を制御すると、通常排気マップを用いる場合に比べて単位時間あたりの開弁時間が長くなるように、開弁時間および閉弁時間が設定されている。本実施例では、このポンプ停止時排気マップは、制御部７０が取得した負荷要求に関する情報に基づいて開弁時間および閉弁時間を決定するように設定されており、負荷要求が大きいほど、決定される単位時間当たりの開弁時間は長く設定される。
【００３６】
燃料電池システム１０では、ステップＳ１１０で水素ポンプ６５を停止したときにも、水素タンク２３からは水素が供給され続け、水素タンク２３から燃料電池２２のアノードに供給される水素圧は、圧力調整弁６２によって所定圧に調節され続けている。ここで、排ガス排出路６４が連通する希釈器２６は大気開放されているため、水素ガス供給路６０や燃料電池２２内の水素ガスの流路あるいはアノード排ガス路６３に比べて、希釈器２６の圧力は低くなっている。そのため、開閉弁６６を開状態とすると、水素タンク２３から放出された水素ガスは、燃料電池２２、アノード排ガス路６３および排ガス排出路６４を経由して希釈器２６に流入し、その後外部に排出される。このように、開閉弁６６を開状態とすることで、水素ポンプ６５を停止しても燃料電池２２のアノードに水素を供給し続けることが可能となる。ここで、開閉弁６６における単位時間当たりの開弁時間は負荷要求に基づいて設定されるため、負荷要求が大きいほど開弁時間が長くなって、アノードに供給される水素量は増える。なお、ポンプ停止時排気マップでは、正常時に比べて単位時間当たりの開弁時間が長くなるように開弁時間および閉弁時間が設定されているが、１回当たりの開弁時間は、開閉の動作に伴って水素ガスが脈動するように充分に短く設定されている。インバータ異常が発生しておらず、通常排気マップを参照して開閉弁６６を開閉する時にも、燃料電池２２に供給される水素ガスは脈動する。しかしながら、ポンプ停止時排気マップを参照して、単位時間当たりの開弁時間をより長くして１回当たりの開弁時間を短く抑えることで、水素ガスはより強く脈動するようになる。
【００３７】
ステップＳ１２０において、参照するマップをポンプ停止時排気マップに切り替えると、これと共に制御部７０は、酸化ガス流量目標値の補正を行なう（ステップＳ１３０）。既述したように制御部７０は、負荷要求に応じた量の酸化ガスが燃料電池２２に供給されるようにエアコンプレッサ２４を駆動制御しているが、ステップＳ１３０では、この駆動制御の際に設定する酸化ガス流量目標値をさらに大きくする補正を行なう。酸化ガス流量目標値をさらに大きくする補正量は、ポンプ停止時排気マップに切り替えることで希釈器２６に排出される水素量が増大したときに、この水素をカソード排ガスで充分に希釈可能となるように定められている。酸化ガス流量目標値を補正すると、制御部は、補正した目標値の酸化ガスが供給されるように、エアコンプレッサ２４に駆動信号を出力する。
【００３８】
酸化ガス流量の目標値を補正してエアコンプレッサ２４を駆動すると、次に制御部７０は、マスフロメータ２８の検出信号を取得して、燃料電池２２に供給される酸化ガス流量を検出する（ステップＳ１４０）。その後制御部７０は、ステップＳ１３０で設定した酸化ガス流量目標値と、ステップＳ１４０で検出した実際の酸化ガス流量とを比較して、酸化ガス流量に過不足があるか否かを判断する（ステップＳ１５０）。過不足があると判断したときには、制御部７０は、エアコンプレッサ２４の回転数を補正する駆動信号を出力して（ステップＳ１６０）、本ルーチンを終了する。すなわち、実際の酸化ガス流量が過剰であるときには、エアコンプレッサ２４の回転数を減少させる制御を行なう。また、実際の酸化ガス流量が不足しているときには、エアコンプレッサ２４の回転数を増加させる制御を行なう。また、ステップＳ１５０において、酸化ガス流量に過不足がないと判断されたときには、本ルーチンを終了する。なお、インバータ異常を検出して上記処理を行ない本ルーチンを終了した後は、制御部７０は、ステップＳ１２０からステップＳ１６０と同様の動作を続行して、燃料電池２２に供給する水素ガス流量および酸化ガス流量の制御を行なう。
【００３９】
ステップＳ１００において、インバータに異常がないと判断されたときには、制御部７０は本ルーチンを終了する。このときには、制御部７０は、通常排気マップを参照する通常の制御を続行し、再び図２のガス流量制御変更処理ルーチンを実行する。
【００４０】
以上のように構成された本実施例の燃料電池システム１０によれば、水素ポンプ６５のインバータにおいて過電流や過電圧が生じることで故障が検出されて、水素ポンプ６５を停止する場合にも、燃料電池２２による発電を継続することができる。
【００４１】
ここで、水素ポンプ６５のインバータにおいて過電流や過電圧が検出される故障としては、例えば、燃料電池２２と電気的に接続されたシステム全体における電力配分のバランスに起因するものが考えられる。あるいは、水素ガスの流路の一部において水素ガスの流れが妨げられ、ポンプモータ６５ａに過負荷がかかることによっても、上記故障が生じ得る。水素ガスの流路の一部で水素ガスの流れが妨げられる現象は、例えば、燃料電池２２内の水素ガス流路やアノード排ガス路６３において水が凝縮することによって起こる。あるいは、水素ガスの流路に設けた弁（例えば図１に示したアノード排ガス路６３に設けた逆止弁５６）が、低温時に凍結することによっても起こる。このような故障は、インバータで過電流や過電圧が検出されても、水素ポンプ６５を停止した後に再び起動すると、水素ポンプ６５が正常に動作する可能性があり、一時的で軽微な故障といえる。そのため、図２に示す処理によって、故障を検出した後に水素ポンプ６５を停止し、開閉弁６６の開閉制御に用いるマップを切り替える制御を行なっても、水素ポンプ６５を再起動して正常に動作すれば、通常制御に復帰することが可能となる。このように、通常排気マップを参照する通常制御に復帰したときには、再び図２に示すガス流量制御処理ルーチンを繰り返し実行すればよい。本発明の燃料電池システム１０によれば、動力を用いて燃料電池にガスを送り込むガス導入装置である水素ポンプに故障が発生したときにも、燃料電池２２の発電を継続しつつ故障の解消を図ることが可能となり、燃料電池システム１０の操作性が向上する。
【００４２】
また、本実施例の燃料電池システム１０では、故障が検出されたときには、開閉弁６６およびエアコンプレッサ２４を制御することによって、負荷要求が大きいほどより多くの水素ガスおよび空気が燃料電池２２に供給される。したがって、故障が検出されても、負荷要求が増大したときには、負荷要求の増大に従ってより多くの電力を得ることができる。特に、開閉弁６６の開閉状態の制御によって、水素ポンプ６５が稼働する正常時と同程度の水素をアノードに供給するならば、負荷要求に見合った電力を燃料電池２２によって発電することが可能となる。さらに、負荷要求に応じて燃料電池２２に供給する燃料ガス量と酸化ガス量との両方を制御することで、燃料電池２２内において、電解質膜に隔てられたガス間の差圧が増大するのを抑えることができる。これにより、燃料電池２２の耐久性の低下を抑えることができる。
【００４３】
また、故障が検出されたときには、酸化ガスの流量を正常時に比べて増やす制御を行なうため、外部に排出される水素量が増えてもこれを充分に希釈させることが可能となる。すなわち、故障検出時には、負荷要求の増大に伴って外部に排出するアノード排ガス量を増加させるが、同様に酸化ガス流量も増加させるため、故障検出時の制御を行なう間、常に、大気中に排出される水素濃度を低く抑えることができる。なお、本実施例の燃料電池システム１０では、開閉弁６６を介して排出するアノード排ガス中の水素は、カソード排ガスによって希釈させて大気に放出しているが、放出に先立って、水素を燃焼させることとしても良い。すなわち、排出するアノード排ガスを、希釈器２６に代えて、燃焼触媒を有する触媒層に通過させることとしても良い。この場合にも、排出するアノード排ガス量を増加させるのに応じて、カソード排ガス量すなわち酸素量を増やす制御を行なうことで、増加した排出水素を充分に処理可能となる。
【００４４】
さらに、本実施例の燃料電池システム１０では、アノード排ガス路６３よりも低圧な低圧部として、水素ガス中の不純物濃度を下げるためにアノード排ガス路６３から排出したアノード排ガスを希釈するための希釈器２６を用いている。したがって、開閉弁６６の開閉制御によって、水素ガス中の不純物濃度の低減と、故障検出時に発電を継続する動作との両方を行なうことができ、システムの複雑化を抑えることができる。ただし、故障検出時に発電を継続するために用いる低圧部は、水素ガスの不純物濃度の低減のために用いる希釈部とは別体で設けることとしても良い。
【００４５】
なお、本実施例では、故障が検出されたときには開閉弁６６の単位時間当たりの開弁時間が長くなるように制御しているが、１回当たりの開弁時間を短くして水素ガスを脈動させているため、例えば故障の原因が流路の水詰まりである場合には、故障の解消を促進するという効果をさらに得ることができる。
【００４６】
Ｄ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００４７】
Ｄ１．変形例１：
既述した実施例では、ガス流量制御に関わる故障として、水素ポンプ６５のインバータにおける過電流あるいは過電圧を検出し、故障発生時には水素ポンプを停止させているが、異なる構成としても良い。例えば、故障として水素ポンプ６５の出力不足を検出して、故障が検出されたときには、水素ポンプ６５を稼働させたまま、開閉弁６６の単位時間当たりの開弁時間を長くする制御を行なうこととしても良い。この場合には、低圧な希釈器２６とアノード排ガス路６３とが連通する時間を長くすることで、水素ポンプ６５の出力を補って、燃料電池２２に供給する水素ガス流量を確保することができる。このように、水素ポンプ６５を停止させるべき故障に限らず、ガス流量制御に関わる故障を検出したときには、アノード排ガス路６３と希釈器２６との連通状態を調節することによって、燃料電池２２による発電を継続することが可能となる。
【００４８】
Ｄ２．変形例２：
実施例の燃料電池システム１０では、アノード排ガスを循環させて再び電気化学反応に供しているが、異なる構成としても良い。例えば、燃料電池２２から排出されたアノード排ガスは、循環させることなく燃料電池システム外部に排出することとしても良い。このような場合にも、アノード排ガス路と、アノード排ガス路よりも低圧な所定の低圧部との間に連通路を設け、連通路における連通状態（単位時間当たりの連通時間）を調節すればよい。これにより、水素ガス流量の調節に関わる故障が発生した時に、実施例と同様の制御を行なうことが可能となる。
【００４９】
Ｄ３．変形例３：
また、既述した実施例および変形例では、燃料電池に供給する水素ガスの流量制御における故障を検出しているが、燃料電池に供給する酸化ガスの流量制御における故障を検出する場合に、本発明を適用することも可能である。例えば、故障として、動力を用いて燃料電池に酸化ガスを送り込むガス導入装置であるエアコンプレッサ２４の出力不足を検出し、故障検出時には圧力調整弁３２の開度を正常時よりも大きくする制御が可能である。カソード排ガス路６８では圧力調整弁３２の下流側は大気開放されているため、圧力調整弁３２よりも下流側は上流側に比べて低圧となっている。そのため、圧力調整弁３２の開度がより大きくなるように調節することで燃料電池２２に酸化ガスが流れ易くなり、燃料電池２２に供給される酸化ガス流量を確保することができる。このように、燃料電池から排出されたガスが流れる排ガス流路と所定の低圧部との連通状態の制御は、排ガス流路と低圧部とを連通させる連通路に設けた弁の開閉制御だけでなく、弁の開度の制御を伴うこととしても良い。いずれの場合にも、ガス流量の制御に関わる故障が検出されたときに、ガス排出路と所定の低圧部との連通状態を制御してガス供給を促進することで、故障検出時にも燃料電池の発電を継続することが可能となる。なお、上記のように故障検出時に酸化ガス流量を制御する場合に、水素ガス供給路６０に設けた圧力調整弁６２を可変調節弁とするならば、酸化ガスの圧力に併せて水素ガスの圧力を調節し、電解質膜に隔てられたガス間の差圧を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例である燃料電池システム１０の構成の概略を表わすブロック図である。
【図２】ガス流量制御変更処理ルーチンを表わすフローチャートである。
【符号の説明】
１０…燃料電池システム
２２…燃料電池
２３…水素タンク
２４…エアコンプレッサ
２５…加湿モジュール
２６…希釈器
２７…気液分離器
２８…マスフロメータ
２９…ラジエータ
３０…負荷装置
３２…圧力調整弁
３３…圧力センサ
４０…冷却部
４１…冷却水路
４２…冷却ポンプ
４３，４４…温度センサ
５６…逆止弁
６０…水素ガス供給路
６２…圧力調整弁
６３…アノード排ガス路
６４…排ガス排出路
６５…水素ポンプ
６５ａ…ポンプモータ
６６…開閉弁
６７…酸化ガス供給路
６８…カソード排ガス路
７０…制御部
Claims (7)
- 燃料電池を備える燃料電池システムであって、
電気化学反応で用いるガスを前記燃料電池に供給するガス供給部と、
前記電気化学反応に供された後に前記燃料電池から排出された前記ガスが流れる排ガス流路と、
前記排ガス流路よりも低圧な低圧部と、
前記排ガス流路と前記低圧部とを連通させる連通路と、
前記連通路に設けられ、前記排ガス流路と前記低圧部との連通状態を調節する連通状態調節部と、
前記ガス供給部が前記ガスを供給する際の流量制御に関わる故障を検出する故障検出部と、
前記故障検出部が前記故障を検出したときに、前記連通状態調節部を制御して、前記燃料電池に供給される前記ガスの流量を調節する流量制御部とを備える燃料電池システム。 - 請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記ガス供給部は、動力を用いて前記燃料電池に前記ガスを送り込むガス導入装置を備え、
前記故障は、前記ガス導入装置における故障である
燃料電池システム。 - 請求項１または２記載の燃料電池システムであって、
前記流量制御部は、前記燃料電池に対する負荷要求に応じて前記ガスの流量を調節する燃料電池システム。 - 請求項１ないし３いずれか記載の燃料電池システムであって、
前記ガスは、前記燃料電池のアノードに供給される燃料ガスとカソードに供給される酸化ガスのうちの、いずれか一方のガスであり、
前記燃料電池システムは、さらに、
前記故障検出部が前記故障を検出したときに、前記流量制御部が調節する前記一方のガスの流量に応じて、前記一方のガスとは異なる他方のガスの流量を増減する流量バランス制御部を備える燃料電池システム。 - 請求項１ないし３いずれか記載の燃料電池システムであって、
前記ガスは、前記燃料電池に供給されるガスのうち、アノードに供給される燃料ガスであり、
前記流量制御部は、前記故障検出部が前記故障を検出したときには、前記故障を検出しないときに比べて、前記排ガス流路と前記低圧部とが連通する単位時間当たりの連通時間が長くなるように前記連通状態調節部を制御し、
前記燃料電池システムは、さらに、
前記電気化学反応に供された後にカソードから排出された酸化ガスを前記低圧部に導くカソード排ガス導入部と、
前記故障検出部が前記故障を検出したときには、前記故障を検出しないときに比べて、前記カソード排ガス導入部によって前記低圧部に導かれる前記酸化ガスの量を増加させるカソード排ガス量調節部とを備える燃料電池システム。 - 請求項１ないし３いずれか記載の燃料電池システムであって、
前記ガスは、前記燃料電池に供給されるガスのうち、アノードに供給される燃料ガスであり、
前記排ガス流路は、前記燃料電池のアノードから排出された燃料ガスの少なくとも一部を再び前記アノードに供給可能となるように、前記ガス供給部に接続している燃料電池システム。 - 燃料電池を備える燃料電池システムの運転方法であって、
（ａ）電気化学反応で用いるガスを前記燃料電池に供給する際の、流量制御に関わる故障を検出する工程と、
（ｂ）前記（ａ）工程で故障が検出されたときに、前記電気化学反応に供された後に前記燃料電池から排出される前記ガスが流れる排ガス流路と、前記排ガス流路よりも低圧な低圧部との、連通状態を調節し、前記燃料電池に供給される前記ガスの流量を調節する工程とを備える燃料電池システムの運転方法。
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